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태양에서 방출되는 에너지는 어떻게 지구에 도달하며 지구에서 흡수되고 이동할까? 이에 따라 지구의 열수지는 어떻게 이루어질까? 또 지구 내부의 열은 어떻게 발생되며 이동할까?

한 여름의 따가운 햇볕은 식물들을 축 늘어지게 하고 사람들을 그늘로 모이게 한다. 그러나 햇빛이 없다면? 이런 상상에 이르면 바로 살을 검게 그을리는 따가운 햇볕까지도 다정하게 느껴진다.

만약 태양이 없다면 어떻게 될까? 온 세상이 암흑으로 덮여 햇빛을 필요로 하는 생물들은 살수 없을 것이며, 밤 낮의 구분도 없어질 것이다. 그러나 그보다 치명적인 점은 지구의 기온이 하강한다는 것이다. 지질시대에는 지구의 평균기온이 5-7℃정도 하강한, 흔히 빙하시대라는 시기가 있었다. 이 시기에는 지구의 많은 부분이 설빙으로 덮이고 많은 종의 생물이 멸종했다.

지구에는 햇빛에 의해 기온이 유지되고 생물이 살 수 있는 최적의 환경이 수십억년 동안 유지되고 있다. 이 달에는 지구의 기온은 과거부터 어떻게 변해왔으며, 지구의 기온이 지질 시대를 거치며 수십억년 동안 비교적 일정하게 유지된 이유에 대해 알아보도록 하자.

지구의 기온은 어떻게 변해왔는가
 

지질지대는 크게 선캄브리아대 고생대 중생대 신생대로 나뉘며, 신생대는 제3기와 4기로 나뉘고, 제4기는 다시 플라이스토세와 홀로세로 구분된다. 현재 우리가 살고 있는 시기는 홀로세에 속한다. 지질학적 연구에 의하면 제4기 플라이스토세에는 4회에 걸친 빙하기와 간빙기가 있었다 (그림1). 현재는 빙하시대가 끝난 때로 생각해 후빙기라 불리기도 하지만 빙하기가 다시 닥쳐오지 않는다고 믿는 사람은 아무도 없다.

과거 지질시대에 수차례의 빙하기가 있었던 사실을 여러 곳에서 확인해 볼 수 있다. 인간이 살지 않았던 지질 시대의 기후는 흔히 퇴적암 중에 포함돼 있는 화석들로부터 나타나는 다양한 동식물들의 분포, 빙하에 의해 남겨진 흔적이나 빙하퇴적물에 관한 자료, 수목의 나이테 등을 이용한 간접적인 방법으로 추정할 수 있다.

근래에는 과거 생물의 유해에 포함돼 있는 방사성 원소의 분석으로 기온에 관해 추정하며 기후 이론에 의한 계산 결과도 기온 추정에 활용되고 있다. 이런 방법으로 추정된 과거의 기온변화는 (그림2)와 같다.
 

지구 기온 변화는 왜 일어나는가
 

지구의 기온 변화가 일어나는 원인에 대해서 지금까지 알려진 것은 지표면 변화에 의한 반사율의 변화, 열원(熱源)인 태양 복사에너지의 변화, 지구대기중에 포함된 이산화탄소 양의 변화 등이 있다. 이 중에서 이산화탄소는 온실 효과를 일으키는 물질로 지구 기온 변화에 주된 역할을 하는 것으로 생각되고 있다.

현재 대기 중에는 0.03%의 이산화탄소가 존재하는데, 이산화탄소의 농도가 2배가 되면 연구결과 기온은 약 3℃ 올라가는 것으로 알려져 있다.

[생각해 보기] 고생대 초기 태양 복사에너지는 현재 보다 약 3% 적었으나 기온은 현재보다 높았다. 그 이유는 무엇이겠는가?

대기중의 이산화탄소뿐만 아니라 화산재나 에어로졸 등도 태양 복사에너지의 투과에 영향을 주어 기온의 변화를 초래한다(그림3). 운석의 낙하에 의한 충격으로 거대한 먼지 구름이 형성되면 지표에 도달하는 태양 복사에너지 양이 현저히 줄어들어 일시적으로 겨울 날씨를 보이게 되는데, 중생대 말의 공룡 멸망은 이와 같은 과정으로 설명되고 있다.
 

지면에서 1백%를 내보낸다?-반사율과 복사평형

지구는 태양에서 입사된 에너지를 1백이라 할 때 우주 공간으로 방출하는 복사에너지의 양은 역시 1백으로 복사평형이 이루어져 온도가 일정하게 유지되고 있다. 언뜻 생각하면 태양에서 도달한 에너지의 1백%를 모두 우주 공간으로 방출하고 있으므로 지구는 전혀 에너지를 받지 못하고 있어 기온은 절대온도까지 내려갈 것으로 생각할 수 있다.

그러나 이것은 태양에서 받은 복사에너지를 지구가 다시 재복사한 것이지 태양에서 지구에 도달하는 에너지를 1백% 반사한다는 것이 아니다. 즉 태양에서 지구에 도달하는 에너지는 자외선 가시광선 적외선 등의 모든 파장의 복사에너지를 포함하고 있으나 이중 대부분은 파장이 짧은 가시광선 영역이어서 대기를 뚫고 지표에 도달하게 된다.

그러나 이런 과정을 통해 흡수된 에너지는 지표의 온도를 높이고 지표는 우주공간으로 재복사하게 된다. 이때에는 '빈의 변위법칙'에 따라 비교적 파장이 긴 적외선 영역의 복사에너지를 내게 된다. 대기중의 이산화탄소 등이 이를 흡수해 기온을 높이게 되는 것인데, 이를 온실효과라 한다.

태양에서 지구에 도달하는 에너지의 약 30%는 지표와 구름 또는 대기의 산란에 의해서 우주 공간으로 직접 반사되는데, 이를 반사율(알베도)이라고 한다. 반사율은 지면의 상태에 따라 다르며 (그림4)에서 보는 것처럼 눈과 얼음 등이 50-70%로 가장 많고, 우거진 삼림이 30-10%로 가장 적다.

[생각해보기] 지구의 일부 지역에서는 환경 파괴로 사막화가 진행되고 있다. 지구의 많은 부분이 사막으로 덮인다면 지구의 평균 기온은 어떻게 되겠는가?
 

온실효과란 무엇인가

태양으로부터 지구와 비슷한 거리에 있는 달은 표면부근의 평균 기온이 약-18℃로 지구의 평균 기온 약 15℃에 비해 상대적으로 낮다. 이것은 어떤 이유일까?

달은 지구와 마찬가지로 밤과 낮의 기온차이는 크지만 평균기온이 일정하게 유지된다. 이것은 (그림5)에서 알 수 있듯이 달의 표면이 태양에서 받는 복사에너지 양을 1백이라 하면 달의 표면에서 우주 공간으로 방출하는 복사에너지 양도 1백이 돼서 복사평형을 이루고 있기 때문이다.

우주비행사가 달의 표면에 유리온실을 지었다고 가정하자. 유리는 짧은 파장 영역의 복사에너지를 그대로 통과시키지만, 적외선 영역을 차단하는 특성이 있다. 유리가 달표면에서 복사되는 에너지의 1백%를 흡수한다면 유리는 다시 우주 공간과 달 표면으로 똑같이 재복사할 것이다.

결국 이와 같은 과정이 진전된다면(그림 5)에서 볼 수 있듯이 달표면에 지은 온실내부에서는 태양복사에너지 1백과 유리에 의해 재복사되는 에너지 1백이 도달하게 돼 기온이 높아진 채로 복사 평형을 이루게 된다.

그러나 실제 상황에서는 유리면에서 반사되는 양, 유리가 달의 복사에너지를 전부 흡수하지 않는다는 점 등으로 약간 다를 수 있을 것이다.

[생각해 보기] 달표면에 다음과 같은 조건을 만족하는 온실을 지었다고 가정할 때 온실에서의 열수지 관계를 생각해 보자.

● 달 표면에 도달하는 에너지의 약20%는 우주공간으로 반사된다.
● 달 표면에서 내보내는 에너지의 약 7%는 유리를 통과해 곧바로 우주 공간으로 나간다.
● 태양 복사에너지의 약 10%는 달표면에 도달하기 전에 유리에 흡수된다.

지구대기중의 이산화탄소나 수증기 등은 달표면에 건설된 유리와 같이 적외선영역을 흡수해 재복사하는 성질이 있으므로 온실효과를 일으킨다. 즉 태양에서 같은 거리에 있는 달과 지구를 비교할 때 달에는 대기가 없으며 지구에는 대기가 있으므로 온실과 같은 역할을 해 지표의 기온이 더 높은 상태에서 복사평형이 이루어져 있기 때문에 달표면의 온도보다 지표의 평균 온도는 약 33℃ 높은 것이다.
 

지구의 열수지
 

지구는 달에 건설한 온실에서와 마찬가지로 대기라는 담요로 덮여 있어 비교적 기온이 높은 채로 복사평형이 이루어져 있다. 이런 예로 금성은 수성보다 태양에서 더 멀리 떨어져 있으나 짙은 이산화탄소 대기로 둘러싸여 있기 때문에 표면 온도는 4백70℃ 정도로 태양계내 행성중 가장 높다.

지구대기의 상한에서 태양빛에 수직으로 놓인 단위 면적에 도달하는 태양 복사에너지는 평균 2㎈/㎠·min인데 이를 태양 상수라 한다. 이 양은 태양에서 방출하는 에너지의 20억분의 1정도로 태양에너지의 막대함을 짐작할 수 있다.

태양 복사에너지는 자전하는 지구표면에 고르게 분배될 것이므로 (그림6)에서 알 수 있듯이 지표에 평균적으로 도달하는 태양복사에너지는 태양상수의 4분의 1이 된다.

결국 지표에 평균적으로 도달하는 태양복사에너지 양은 0.5㎈/㎠·min가 된다. 이 값을 1백%로 할 때 1987년 마시(W.M marsh)의 연구에 의하면 대기권 상층에서 오존에 의한 흡수가 3%, 대기 중의 수증기와 이산화탄소가 흡수하는 양이 14.5%, 대기의 산란으로 7%, 구름에 의한 반사가 24%, 지표의 반사가 4% 등으로 총 52.5%가 소멸되고 그 나머지인 47.5%가 지표에 흡수된다고 한다.

지표에 도달하는 47.5%를 자세히 살펴보면 대기에 의한 산란된 에너지가 지표에 도달하는 양이 10.5%, 구름에 의해 산란된 에너지가 지표에 도달하는 양이 14.5%, 지면에 직접 도달하는 태양복사에너지가 22.5%로 결국 총량은 47.5%에 이른다고 한다.

그러나 이와 같은 열수지 (그림7) 개념은 전지구적인 것이어서 계절적으로 또는 지리적으로 상당히 다를 수 있다. 따라서 표집한 지역의 관측자료가 서로 다를 수 있기 때문에 학자에 따라서도 그 수치는 조금씩 다르다. 대체로 지면이나 대기 구름 등으로 반사되는 양이 30% 정도이고, 대기가 흡수하는 양이 20%, 지면이 흡수하는 양이 50% 정도이다.

이와 같이 흡수된 태양복사에너지는 지면과 대기 사이의 열교환 과정을 통해 지구복사(장파복사)의 형태로 대기에서 20%, 지면에서 50%, 총 70%를 우주공간으로 방출해 복사 평형을 이루고 있는 것이다.

[생각해 보기] 지구의 나이는 46억년이다. 태양복사에너지가 변함이 없다면 지구탄생 이래 지표면이 받은 태양복사에너지의 총량은 얼마나 되는지 계산해 보자.